IEC TS 629032023 超声波.用自互易法测量球面弯曲换能器的电声参数和声输出功率标准立项发展报告

超声波用自互易法测量球面弯曲换能器的电声参数和声输出功率标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Ultrasonics-MeasurementsofElectroacousticalParametersandAcousticOutputPowerofSphericallyCurvedTransducersUsingtheSelf-ReciprocityMethod摘要随着超声技术在医学诊断、工业检测、水下声学及功率超声等领域的广泛应用，球面弯曲换能器作为关键核心部件，其电声参数和声输出功率的精确测量日益受到重视。自互易法作为一种无需标准水听器即可实现换能器绝对校准的经典方法，在球面弯曲换能器测量中展现出独特的技术优势。然而，国际上长期缺乏针对该方法的统一技术规范，导致不同实验室间的测量结果存在显著差异，制约了超声设备的质量控制与国际互认。在此背景下，国际电工委员会（IEC）下属超声波技术委员会（TC87）制定了IECTS62903:2023《超声波用自互易法测量球面弯曲换能器的电声参数和声输出功率》技术规范。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及其对全球超声产业和计量体系的重要影响，并重点介绍了标准编制过程中主要起草单位的技术贡献。该标准的发布填补了球面弯曲换能器自互易法测量领域的国际标准空白，对于提升超声计量水平、促进国际贸易和技术交流具有里程碑式意义。关键词：超声波；球面弯曲换能器；自互易法；电声参数；声输出功率；国际标准；IECTS62903Keywords:Ultrasonics;SphericallyCurvedTransducers;Self-ReciprocityMethod;ElectroacousticalParameters;AcousticOutputPower;InternationalStandard;IECTS629031引言1.1研究背景超声换能器是实现电能与声能相互转换的核心器件，广泛应用于医学超声成像与治疗、工业无损检测、水下探测与通信、功率超声加工等诸多领域。其中，球面弯曲换能器（SphericallyCurvedTransducers）因其天然的几何聚焦特性，能够将声能量有效汇聚于焦点区域，在需要高声强或高分辨率的应用场景中扮演着不可替代的角色。例如，在高强度聚焦超声（HIFU）肿瘤治疗系统中，球面弯曲换能器直接决定了治疗焦域的声场分布和热效应控制精度；在超声无损检测中，聚焦探头显著提升了微小缺陷的检出能力。换能器的电声参数——包括发送电流响应、接收灵敏度、自由场电压响应等——以及声输出功率，是评价换能器性能的核心指标体系。这些参数的准确测量不仅关系到超声设备的质量控制与安全监管，还直接影响到超声剂量学研究的可靠性。然而，球面弯曲换能器的声场具有强烈的空间非均匀性，其聚焦声场的测量远比平面活塞换能器复杂，传统的平面波假设和远场测量方法在聚焦换能器的测量中面临显著的系统误差。1.2自互易法的技术优势自互易法（Self-ReciprocityMethod）源于声学中的互易原理。该原理指出，对于满足线性、无源、可逆条件的换能器系统，其作为发射器和接收器时的传递函数存在确定的互易关系。基于这一原理，通过测量换能器的电输入阻抗和声辐射阻抗，即可在不借助标准水听器的情况下，实现换能器绝对灵敏度和声输出功率的校准。相较于需要标准水听器或标准声源的传统校准方法，自互易法具有以下突出优势：其一，无需依赖可溯源的标准换能器，从根本上避免了标准传递链条中的不确定度累积；其二，适用于聚焦换能器的测量，能够反映换能器在实际工作状态下的电声性能；其三，测量装置相对简洁，不需要大型消声水槽或自由场条件，在工业现场和临床环境中具有更好的可操作性。1.3标准缺失带来的挑战尽管自互易法的基本原理已被学术界广泛认可，并且在实验室研究中已有数十年的应用历史，但国际上始终缺乏统一的测量规范。各研究机构和生产企业多依据内部方法或经验公式进行测量，导致以下突出问题：不同实验室对同一换能器的测量结果可能偏差超过±3dB；声输出功率的测量不确定度无法系统评估；各国监管机构对于超声设备声输出报告的认可度不一，形成了潜在的技术性贸易壁垒。在此背景下，制定一项国际统一的球面弯曲换能器自互易法测量标准，成为国际超声计量界和产业界的共同呼声。2标准立项背景与编制历程2.1国际标准化组织与技术归口国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）成立于1906年，是制定发布电工电子领域国际标准的权威组织。IEC下设的超声波技术委员会（TC87:Ultrasonics）专门负责超声领域的标准化工作，其工作范围涵盖工业超声、医用超声、超声清洗及超声加工等领域。TC87下辖多个分技术委员会和工作组，其中负责换能器测量标准制修订的主要是维护工作组和维护小组。TC87已发布的系列标准中，IEC61102（场参数测量）、IEC61157（医用超声声输出的标准报告要求）、IEC62127（水听器测量）等构成了超声计量标准体系的核心框架。然而，这些标准主要针对平面换能器和通用测量方法，关于球面弯曲换能器自互易法测量的专项标准长期缺失。2.2标准制定历程IECTS62903的制定工作起始于2016年前后。在TC87年度会议中，多国专家基于在聚焦超声换能器测量领域的长期研究积累和工业需求，正式提出制定自互易法测量球面弯曲换能器技术规范的提案。项目建议经过TC87成员国投票表决通过后，正式立项编号为IECTS62903。在标准编制过程中，项目组广泛吸纳了来自中国、日本、德国、英国、美国等国家的计量研究机构和超声设备制造企业的专家参与。编制工作经历了多轮工作组会议讨论、草案征集和意见处理，期间重点解决了以下关键技术难题：球面弯曲换能器声场聚焦区域的测量条件界定、自互易法中电声参数的推导公式体系、反射体尺寸与位置对测量结果的影响评估、测量不确定度的评定方法框架等。经过约六年的反复研讨与完善，IECTS62903于2023年6月13日正式发布。该标准为技术规范（TechnicalSpecification，TS）类型，这一类型适用于技术尚在发展之中但预计将来可能形成国际标准的领域，体现了IEC对该技术方向的前瞻性布局。2.3标准定位与适用范畴IECTS62903属于电声学测量方法类的技术标准，标准状态为现行有效，发布机构为国际电工委员会，分类归属于电声学领域。标准语言为英语，采用电子版加密PDF格式发行。该标准规定了一套基于自互易原理的测量程序，用于确定球面弯曲换能器在液体媒质（通常是水）中的电声参数和声输出功率。适用频率范围覆盖了球面弯曲换能器典型工作频段（通常为几十千赫兹至数兆赫兹），适用于医学超声治疗设备中常用的聚焦换能器，也可推广至工业超声加工和科学研究中的聚焦换能器测量。3标准核心内容解析3.1测量原理与理论框架IECTS62903所确立的测量方法建立在互易原理的坚实基础之上。互易原理在声学中的经典表述为：对于满足互易性的线性无源声系统，若将换能器用于发射和用于接收，其传递函数之比仅取决于系统的声学边界条件和媒质特性，而与换能器内部结构无关。在球面弯曲换能器的自互易测量中，需在换能器的声轴上布置一个平面反射体（通常为不锈钢或玻璃平板），将换能器发射的声波反射回换能器自身，使其同时充当发射器和接收器。通过测量以下关键电学量：（1）换能器的输入电阻抗；（2）发射状态下的驱动电压和电流；（3）反射回波激励下换能器的开路输出电压，结合已知的声传播路径几何参数和媒质声学特性，即可计算得到：-发送电流响应：表示单位驱动电流在指定方向上产生的声压，单位为Pa/A；-接收灵敏度（自由场电压灵敏度）：表示单位入射声压产生的开路输出电压，单位为V/Pa；-声输出功率：换能器向媒质中辐射的总声功率，单位为W。为避免界面反射造成驻波干扰，测量中需采用宽带脉冲激励技术，并通过时间门选通，仅对直接反射回波信号进行采集和处理，排除来自水槽边界的杂散反射。这一技术路线同时兼顾了测量的准确性和实施的可行性。3.2测量装置与配置标准对测量装置提出了明确的技术要求。主要测量装置包括：-被测球面弯曲换能器，安装于精密定位支架上，确保声轴对准反射面中心；-平面反射体，要求表面平整度优于λ/20（λ为声波波长），反射体直径需覆盖换能器在反射面处的声束照射区域，尺寸通常不小于f-数对应声束宽度的1.5倍；-信号源与功率放大器，用于产生脉冲激励信号；-数字示波器或数据采集系统，用于记录发射和接收波形；-阻抗分析仪，用于精确测量换能器的电输入阻抗。反射体与被测换能器之间的轴向距离是关键的测量参数。标准给出了根据换能器几何焦距和f-数确定最佳反射距离的推荐公式和取值范围，要求在近场-远场过渡区域之外选取消声传播路径，以简化声场计算模型。3.3电声参数计算与不确定度评估标准的核心章节给出了从测量量到目标参数的全套数学推导公式。其中，球面弯曲换能器的有效辐射面积、几何焦距和f-数作为输入参数参与计算；对于非理想球面或存在边缘效应的换能器，标准提供了修正系数的计算方法。测量不确定度评定是该标准的一大亮点。标准引入测量不确定度表示指南的相关框架，要求测量报告同时给出以下不确定度来源的定量评估：-电学测量引入的不确定度（电压、电流、阻抗测量精度）；-声学参数的不确定度（声速、密度、衰减系数的取值误差）；-几何参数的不确定度（距离测量、角度对准误差）；-环境条件引起的不确定度（温度对水声特性的影响）；-反射体声学特性偏离理想刚性的影响。标准推荐采用A类和B类不确定度评定相结合的方式，并给出了典型测量条件下合成标准不确定度的参考范围，为不同实验室间测量结果的可比性提供了科学依据。3.4与其他标准的衔接协调IECTS62903在编制过程中充分考虑了与IECTC87体系内既有标准的协调一致性。在术语和定义方面，标准引用了相关超声学术语标准的定义框架；在声场测量和表征方面，与IEC61102中关于聚焦声场测量方法的要求保持一致；在声输出功率报告方面，标准的输出格式与IEC61157中关于医用超声设备声输出报告的要求兼容，可直接应用于医用聚焦超声设备的质量评价和监管申报。4主要起草单位介绍4.1中国科学院声学研究所IECTS62903标准编制过程中，来自中国的科研机构——中国科学院声学研究所发挥了积极而重要的作用。中国科学院声学研究所成立于1964年，是中国从事声学基础研究和应用开发的国家级专业研究机构，在超声学、水声学、音频声学等方向拥有深厚的学术积累和技术储备。研究所下设的超声技术实验室长期致力于超声换能器设计、声场测量与表征、功率超声应用等方向的研究，在聚焦超声换能器的电声参数测量领域取得了系列重要成果。在IECTS62903的编制工作中，中国科学院声学研究所的专家团队凭借以下独特优势为标准的制定作出了实质性贡献：理论贡献方面，团队成员基于多年来在自互易法测量聚焦换能器方面的理论研究成果，为标准中核心数学模型的建立提供了系统的推导框架。特别是在球面弯曲换能器的声场理论建模、反射体边界条件处理以及近场衍射修正等领域，研究所提出的理论方法被采纳为标准计算程序的重要基础。实验验证方面，研究所在标准草案验证阶段开展了大量系统性实验，对不同几何参数（f-数范围1.0~2.0，频率范围0.5~3MHz）的多种球面弯曲换能器进行了全面的测量验证。实验结果表明，基于标准规定方法获得的测量结果与传统水听器扫描法的偏差在±1dB以内，验证了标准技术方案的可靠性和可操作性。这些实验数据被纳入标准编制过程文件，为各国专家讨论提供了关键的实证依据。国际协调方面，研究所专家在TC87工作组会议期间发挥了重要的沟通和协调作用，积极推动各方在关键技术参数和不确定度评定方法上达成共识。通过组织国内超声计量和产业单位的联合测试活动，研究所有效地将中国在聚焦超声换能器测量方面的实践经验和数据积累引入了国际标准制定进程。中国科学院声学研究所的深度参与不仅提升了我国在国际超声标准化领域的话语权，也为IECTS62903的技术质量提供了坚实的学术支撑，体现了中国科研机构在国际标准制定中从“跟随者”向“贡献者”转变的积极态势。5标准的意义与影响5.1填补国际标准空白，完善超声计量体系IECTS62903是国际上首部专门针对球面弯曲换能器自互易测量方法的标准化技术文件。它的发布填补了IECTC87标准体系中关于聚焦换能器专项测量方法的空白，与既有标准（IEC61102、IEC62127、IEC61157等）形成了有效的互补和衔接，共同构成了覆盖平面换能器和聚焦换能器、通用方法和专项方法的较为完备的超声换能器计量标准体系。5.2提升测量一致性与可比性统一测量方法和规范的建立，为全球不同实验室和制造企业之间的测量结果对比提供了共同基准。通过遵循IECTS62903规定的测量条件、计算方法和不确定度评定程序，不同机构获得的测量结果在给定不确定度范围内可实现互认。这对于多中心临床研究中超声治疗设备声输出参数的可比性，以及国际贸易中超声设备的合格评定，均具有重要的实际意义。对于医用超声设备制造企业而言，该标准提供了一套无需昂贵标准水听器和大型消声水槽的替代测量方案，有效降低了高性能聚焦换能器的性能测试门槛和成本。特别是在高强度聚焦超声肿瘤治疗系统的研发和生产中，声输出功率的可靠测量直接关系到治疗方案的剂量标定和患者安全，本标准的实施为企业建立规范的出厂检验规程提供了权威技术依据。5.4促进相关领域标准完善IECTS62903的发布还将对相关国际标准化活动产生带动效应。在医用超声治疗设备安全标准、功率超声换能器性能评价标准等领域，该标准确立的测量方法和不确定度框架有望被引用或参考，推动更广泛的超声计量标准化进程。6结论与展望IECTS62903:2023作为国际电工委员会正式发布的关于球面弯曲换能器电声参数和声输出功率自互易法测量的技术规范，标志着聚焦超声换能器计量技术向标准化、国际化和规范化方向迈出了关键一步。该标准基于互易原理的科学理论，结合现代测量技术和信号处理手段，建立了一套兼顾准确性和经济性的测量方法体系，为全球超声产业的质控体系建设和计量技术能力提升提供了权威指导。标准的主要贡献可以概括为三个方面：一是在技术层面，明确了球面弯曲换能器自互易测量的系统化程序和理论基础；二是在方法层面，引入了规范的测量不确定度评定框架，显著提升了测量结果的科学性和可信度；三是在应用层面，为医用超声治疗、工业超声检测等领域提供了可直接采用的标准化测量工具，有力地促进了相关产品和技术的质量保障与国际互认。展望未来，随着医用聚焦超声技术的快速演进和新型压电材料、高频换能器技术的不断涌现，IECTS62903有望在后续修订中进一步扩展适用范围，涵盖更宽频率范围和更多换能器几何形式。同时，随着自互易法在其他类型换能器（如凹面相控阵、环阵换能器）测量中的推广应用，该标准所确立的方法学框架和技术经验将为后续相关标准的制定提供重要参考范式。中国作为全球超声设备的主要生产国和消费市场，应积极跟踪标准实施动态，推动国内相关标准体系的对接与完善，并在未来标准修订中继续贡献中国智慧和中国方案，进一步提升我国在国际超声标准化领域的影响力和话语权。参考文献[1]IECTS62903:2023,Ultrasonics-Measurementsofelectroacousticalparametersandacousticoutputpowerofsphericallycurvedtransducersusingtheself-reciprocitymethod.Geneva:InternationalElectrotechnicalCommi